国内外钛合金研究的发展现状及趋势

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- 1 - 第1章 绪论

1.1我国公路现状

交通运输业是国民经济中从事运送货物和旅客的社会生产部门，是国民经济和社会发展的动脉，是经济社会发展的基础行业、先行产业。交通运输主要包括铁路、公路、水运、航空、管道五种运输方式，其中，铁路、水运、航空、管道起着“线”的作用，公路则起着“面”的作用，各种运输方式之间通过公路路网联结起来，形成四通八达、遍布城乡的运输网络。改革开放以来，灵活、快捷的公路运输发展迅速，目前，在综合运输体系中，公路运输客运量、货运量所占比重分别达90％以上和近80％。高速公路是经济发展的必然产物，在交通运输业中有着举足轻重的地位。在设计和建设上，高速公路采取限制出入、分向分车道行驶、汽车专用、全封闭、全立交等较高的技术标准和完善的交通基础设施，为汽车快速、安全、经济、舒适运行创造了条件。与普通公路相比，高速公路具有行车速度快、通行能力大、运输成本低、行车安全、舒适等突出优势，其行车速度比普通公路高出50％以上，通行能力提高了2~6倍,并可降低30％以上的燃油消耗、减少1/3的汽车尾气排放、降低1/3的交通事故率。

新中国成立以来 ，经过60多年的建设，公路建设有了长足发展。2011年初正值“十一五”规划结束，“十二五”规划伊始。“十一五”时期是我国公路交通发展速度最快、发展质量最好、服务水平提升最为显著的时期。经过4年多的发展，公路交通运输紧张状况已实现总体缓解，基础设施规模迅速扩大，运输服务水平稳步提升，安全保障能力明显增强，为应对国际金融危机、保持经济平稳较快发展、加快经济发展方式转变、促进城乡区域协调发展、保障社会和谐稳定、进一步提高我国的综合国力和国际竞争力作出了重要贡献。

“十一五”前4年，全国累计完成公路建设投资2.93万亿元，年均增长近16％，约为“十一五”预计总投资的1.2倍，也超过了“九五”和“十五”的投资总和。公路建设投资的快速增长，极大地拉动和促进了国民经济的迅猛发展。从公路建设投资占同期全社会固定资产总投资的比重来看，“十一五”期间基本保持在4.5％左右。

第１５卷第４期２００４年８月天然气地球科学ＮＡＴＵＲＡｌ，ＧＡＳＧＥ（）ＳＣＩＥＮＣＥＶ０１．１５Ｎｏ．４Ａｕｇ．２００４

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国内外Ｃ０２研究现状及发展趋势

刘宝明１，何家雄１’２，夏斌１，张树林１

（１．中国科学院边缘海地质与矿产资源重点实验室，广东广州５１０６４０；

２．中国海洋石油南海西部研究院，广东湛江５２４０５７）

摘要：简述了国内外对地球圈层沉积盆地ＣＯ。的研究现状和发展趋势。指出了南海及邻区ｃｏ。局

部富集的特征，分析了对南海北部莺一琼盆地天然气中ＣＯ：的研究状况。认为Ｃ０。是一种宝贵的

矿产资源，在石油化工、农业、环保、食品、饮料等领域具有广阔的应用前景，应当开发利用好ＣＯ：，使其服务于国民经济建设，促进人类与社会经济及环境的全面协调的发展。还认为，我国应成立国

家级的ＣＯ。研究开发中心，统筹ＣＯ：资源评价和综合开发利用以及ＣＯ。与环境关系的多学科联合

攻关研究。

关键词：ＣＯ：；研究现状；综合利用；发展趋势

中图分类号：ＴＥｌ２２文献标识码：Ａ文章编号：１６７２—１９２６（２００４）０４—０４１２—０６

０前言

ＣＯ：是自然界整个碳循环中较稳定的组分。故

在岩石圈、水圈、生物圈和大气圈中广泛存在以ＣＯ。

为主体的碳循环。由于各学科对ＣＯ。的研究目的不

同，所选择的研究对象（地球圈层）及手段亦不尽相

同。戴汉民［１３从生物地球化学角度对南海水圈的碳

循环过程作了分析。张远辉［２’３１对东海及台湾海峡水

圈、大气圈的ＣＯ。及其海气通量进行了估算。沈承德

等［４３认为利用森林土壤“Ｃ表观年龄及艿１３Ｃ值可以

揭示由土壤排放到大气圈的ＣＯ：通量，且可解开全

球碳循环中ＣＯ。“未知汇”之谜。事实上，ＣＯ：作为全

球碳循环系统中的重要组成部分，在岩石圈中广泛

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国内外钛合金研究及应用现状

作者：江洪 张晓丹

来源：《新材料产业》2017年第03期

一、国内外钛合金发展概况

钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。在近代工业中，钛合金以其优良的高强度、耐蚀性及耐热性等特点已成为高性能结构件的首选材料。此外，钛具备生物相容性、超导、储氢、形状记忆等独特功能，而被广泛应用在医疗器械、化工、航天航空、舰船等领域。

目前，已有上百种钛合金问世，其中最著名的合金有20～30种。钛合金可以分为α合金、（α+β）合金、β合金及金属间化物钛合金。近年来，新型钛合金主要有4种类型：高温钛合金、高强高韧β型钛合金、钛铝基合金及其复合材料与阻燃钛合金。我国于1956年开始钛及其合金的研究，60年代中期开始钛材的工业化生产。常见的钛合金为铸造钛合金及变形钛合金。

二、钛合金生产技术的发展现状

钛合金生产技术关系着钛合金的质量。钛合金熔炼、铸造、成型等技术在近年来得到了极大的发展。

1.钛和钛合金的熔炼技术

钛及钛合金的熔炼主要分为2类：真空自耗和真空非自耗熔炼，见表1。

在钛和钛合金的工业化生产中，最常用的技术是真空自耗电弧熔炼（Vacuum arc

remelting，VAR）和冷床炉熔炼。

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VAR技术在钛合金熔炼中可以细化铸锭组织，提高产品的纯净度。该技术在近年来的主要发展表现在以下几个方面：①全自动VAR重溶工艺。先进的计算机技术的发展也应用到VAR工艺中，自动电控盒数据收集系统可以为特定的铸锭和合金建立优良的熔炼模式。除此之外，还可以分析熔炼过程出现的问题，提高金属成品率。②铸锭尺寸大型化。大型VAR炉可熔炼质量达30t的钛铸锭，国外熔钛用真空自耗电弧炉吨位大多为8～15t，我国近年来也实现了8～15t熔钛吨位。③供电方式采用了同轴型供电方式，可以抵消磁场，防止产生偏析。④数值模拟技术的发展。国内外学者利用数值模拟方法研究VAR工艺取得一定的进展[1]。国内学者探索了铸锭温度场的分布规律并建立了预测凝固组织形貌、铸锭成分及缺陷分布的模型。

76中国有色金属 2010年第1期报 道Report

文 张文毓钛合金技术发展现状及趋势对钛的冶炼提取技术、熔炼技术、精密铸造技术、等温锻造技术、热处理技术、焊接技术、冷成型及加工技术、表面处理技术、近净成形技术、超塑性成形技术、材料制备及加工过程的计算机模拟技术等的发展现状及趋势进行了综述。

钛合金技术发展现状1.钛的冶炼提取技术。钠还原法和镁还原法是生产海绵钛的主要方法，另外有美国的改进型克劳尔法、阿姆斯特朗法、SRI法等，还有导电体介入还原法、Hunter法、Armstrong法等。2.钛合金熔炼技术。发展了冷床炉熔炼技术，包括电子束冷床炉和等离子冷床炉技术。目前，冷床炉熔炼已达到商业化水平，可熔炼重达25吨的铸锭。能生产无偏析、无夹杂的优质钛及钛合金铸锭，满足航空转动部件对高性能钛材的需求；能生产扁锭、空心锭，简化板材和大管材的后续加工，并可大量回收残钛，但存在成本高、操作复杂等问题。电子束和等离子冷床熔炼工艺在美国、日本等工业发达国家得到了快速发展，电子束已成功应用于纯钛和TC4合金的熔炼，等离子束是熔炼复杂成分钛合金的最有效手段。俄罗斯发展了一种类似于冷床炉的熔炼技术，即“凝壳—自耗电极熔炼”。此外，冷坩埚熔炼技术近来也有较大发展，与离心浇铸工艺结合用于钛铸件精密铸造，目前正在制造第二代冷坩埚熔炼炉。第二代冷坩埚炉可大大提高熔化能力，缩短熔炼时间，实现完全悬浮熔炼，消除金属凝壳。我国已将研究感应凝壳熔炼技术列入重点研究项目，在钛合金的熔炼技术方面也取得了很大的发展。2008年，我国共生产钛锭3.4万吨，钛加工材2.4万吨；净出口海绵钛4450吨；净出口钛加工材4083吨，成为海绵钛和钛加工材的净出口国。3.精密铸造技术。失蜡法铸造现称熔模精密铸造，是一种少切削或无切削的铸造工艺，应用广泛，适用于各种类型、各种合金的铸造，生产出的铸件尺寸精度、表面质量比其他铸造方法要高，复杂、耐高温、不易加工的铸件均可用熔模精密铸造。近年来，钛的铸造技术主要发展了冷坩埚+离子浇铸技术、真空吸铸技术和真空压铸技术。钛合金熔模精密铸造典型工艺有石墨熔模型壳，金属钨面层陶瓷型壳，氧化物陶瓷型壳。钛合金材料生产成本高，机械加工、锻造、焊接等比较困难，采用精密铸造技术，可以提高钛合金材料的利用率，降低生产成本。通常金属铸件的力学性能低于锻件性能，但钛精密铸件的使用性能大体与钛锻件相近，精密铸造成为降低成本、优化性能的最佳选择。凝壳炉的应用和熔模精密铸造与金属造型、陶瓷造型工艺的发展为许多大型复杂的薄壁钛铸件缩短生产时间、降低成本展现了一定的空间。目前，高性能的钛合金大型整体精铸件，大多数都是采用金属面层陶瓷型壳或氧化物面层陶瓷型壳浇注的。大型薄壁精密铸造技术使钛铸件性能接近钛锻件，而成本较钛锻件降低约50%。4.钛合金等温锻造技术。钛合金等温锻造技术是一项新工艺，结合热机械处理能获得综合力学性能最优化的钛合金等温锻件，但在模具材料、模具制造和模具加热装置等方面的成本投入比常规锻造方法高，大多用于制造飞机的零部件。5.钛合金的热处理。对钛合金进行固溶淬火和时效强化处理，能获优异工艺性能和使用性能，达到提高产品质量、延长使用寿命、提高经济效益的目的。目前，各国纷纷寻求新的热处理方法，以满足钛合金工程提出的新要求。英国伯明翰大学研制开发了一种陶瓷相转变处理技术—CCT技术，通过热处理，在γ—TiA1合金表面形成氧化铝和二氧化钛的陶瓷相复合层。用该技术制造的γ—TiA1合金发动机阀，可将剪切抗力提高100倍。利用该技术，可以在TiNi形状记忆合金表面形成TiO2陶瓷相复合层。特种热处理工艺是国防工业系统关键制造技术之一。美国为加速其航天飞机的发展，由5家公司组成联合体共同开发针对5种新材料的成形及热处理工艺，即高温Ti-Al化合物，C/C及陶瓷基复合材料，高蠕变强度材料及高导热材料。6.钛合金焊接技术。大多数钛合金可以使用氧乙炔焊的方法进行焊接，所有的钛合金均可使用固态焊接法进行焊接（如TIG、MIG、等离子弧焊、激光焊、电子束焊和电阻焊等）。从近几年国内外对钛及钛合金焊接方法的研究和焊接效果来看，TIG焊和激光772010年第1期 中国有色金属焊的焊接质量最好。激光焊接技术具有功率密度高、热影响区小、焊件残余应力和变形小、焊接速度高、可焊接难焊材料 (陶瓷、有机玻璃)等优点，有很好的应用前景。钛及钛合金焊接技术的发展方向是便于操作、焊接过程自动化、智能化，从而提高焊接生产率、焊接质量稳定性以及节约能源，有利于环境保护等。7.钛合金冷成型及加工技术。生产技术方面，克劳尔法仍是生产海绵钛的主导工艺，电子束冷床炉熔炼技术已在钛铸锭制备上达到了商业化应用，大型锻件和精密锻造技术在不断发展，激光成型等近净成型技术在不断得到应用。一些常规加工技术如锻造、轧制等已完全实现了计算机自动控制。人工神经网络模型在钛合金中的应用解决了一些实际问题。降低钛合金加工制造成本的另一个方向是开发可冷变形的β钛合金。钛合金特种加工技术有激光加工技术、电子束加工技术、离子束及等离子体加工技术、电加工技术等。钛合金固态自由成型技术包括电子束熔化成型、激光熔化成型技术、等离子变弧成型(PTA)、激光精密金属沉积。8.钛合金表面处理技术。从以热渗扩、电镀、真空镀膜等为代表的传统表面强化、耐磨处理技术，发展到现阶段以等离子渗、离子束、电子束、激光束的应用为标志的现代表面处理技术，如表面氮化（气体氮化、等离子氮化）、表面渗元素合金化、激光熔覆等。目前，钛及钛合金表面强化技术正朝着多种表面技术综合应用以及多层复合膜层的研究制备方向发展。9.钛合金的最新加工技术。（1）近净成形技术。传统的钛合金材料加工技术是以海绵钛作为原料，经过备料—制备电极—一次真空自耗熔炼—二次熔炼—开坯锻造—二次锻造—轧制或挤压，最终得到棒材或板材成品。近净成形技术进行钛及钛合金材料加工则是以海绵钛+钛屑或钛及钛合金粉末作为原材料，利用 PAM单锭熔炼技术制备铸锭或粉末冶金的方法制备坯料，然后通过轧制或挤压直接出成品。近净成形方法包括激光成形、精密铸造、精密模锻、粉末冶金、喷射成形等多种方法，可成形复杂形状的各种钛合金零部件，并达到近净尺寸成形的目的。宝钢开发了钛合金锻件近净形技术——等温超塑变形工艺。该工艺通过将锻件毛坯放置在加热到变形温度或接近变形温度的模具中进行较慢速度变形而获得近净形尺寸锻件而得到越来越多地应用。粉末注射成型（简称PIM）是将现代塑料注射成型技术引入粉末冶金领域形成的一门新型粉末冶金近净成型技术，是国际粉末冶金领域中发展最迅速、最有前途的一种新型近净成型技术。喷射成形具有快速凝固一次成形的优点，目前已在发展新型合金、实现复杂构件净成形等方面显示出巨大的潜在经济效益和社会效益。（2）超塑性成形技术。目前，钛合金超塑成形技术主要应用于航空航天领域，开发其他领域的应用将是超塑成形技术发展的必然趋势。最新的超塑成形加工方法有超塑等温锻造、气压成形、超塑挤压真空成形、深冲、无模拉伸等。钛合金超塑性成形技术的应用有超塑性等温锻造、超塑性挤压、超塑性气胀、超塑性成形与扩散连接结合技术（SPF/DB）、钛合金超塑性成形模具材料选用研究等。产业界逐渐把超塑成型技术作为解决复杂、大型或用常规成型方法难以加工的材料成型的—个重要途径。并把金属超塑性成型工艺称为21世纪的成型技术，特别是在航空航天领域在大力发展这种技术。这种技术能显著地降低构件成本、减轻质量、节约原材料和解决加工困难的问题。超塑性成型是钛合金零部件的最好成形方法，非常适用于制造导弹零部件，如钛合金导弹外壳、整流罩、容器、梁和框及钛球等。目前开发出的超塑性钛合金有：Ti-6Al-4V、Ti-6Al-5V、Ti-6Al-4V-2Ni、Ti-10V-2Fe-3Al等，其中Ti-6Al-4V的使用已较为广泛。（3）材料制备及加工过程的计算机模拟技术。世界各国先后展开了对钛及钛合金材料熔炼、铸造以及加工制造过程、热处理等方面的计算机模拟技术的研究和相关软件的设计开发。通过计算机模拟计算设计加工工艺，可以避免传统设计的许多缺点，节省了人力、物力，同时极大地提高了新材料制备和加工工艺设计的准确性。钛合金技术发展趋势为了进一步实现钛的扩大化应用，钛的制备和加工亟待实现低成本化，包括海绵钛生产、材料设计及加工过程的低成本化；高效、短流程钛合金加工技术的开发和应用，如单次冷床炉熔炼直接轧制技术，钛带连续加工技术等；发展近净成形技术，包括粉末冶金、精密铸造、精密模锻、喷射成形等；钛的推广应用，包括生物用钛、汽车用钛及建筑用钛等。钛合金技术发展建议开发新型钛合金材料，扩大钛合金应用领域，努力服务于我国海军装备建设和民用市场。钛在民用市场的两大应用领域，即汽车工业用钛合金和生物医用钛合金的进展步伐加快，将会很快成为未来钛的两大应用领域。大力加强海绵钛新生产工艺和新型低成本钛合金的研究与开发。在新工艺方面，冷床炉熔炼技术（电子束冷床炉和等离子冷床炉技术）、激光成型技术、注射成型技术、冷坩埚精密铸造技术、真空吸铸技术、真空压铸技术、激光焊接技术、近净成型技术将得到更广泛的应用和发展。低成本化，即发展不含或少含贵金属元素，可利用低价母合金原料的钛合金，能充分利用残料的钛合金和易加工成型、易切削加工的钛合金以及发展钛合金的连铸连轧技术。采用先进加工工艺来降低钛材生产成本，降低钛合金加工制造成本的另一个方向是开发可冷变形的β钛合金。大力发展钛合金特种加工技术包括激光加工技术、电子束加工技术、离子束及等离子体加工技术、电加工技术。中（作者单位：中国船舶重工集团公司第七二五研究所）第二代冷坩埚炉可大大提高熔化能力，缩短熔炼时间，并实现完全悬浮熔炼，消除金属凝壳。